Beschreibung description
Hartmetall-Substratkörper und Verfahren zu dessen HerstellungTungsten carbide substrate body and method for its production
Die Erfindung betrifft einen Hartmetall-Substratkörper, bestehend aus einer WC-Hartstoffphase und einer 3- bis 25 Massen%igen Binderphase, die neben mindestens einem der Bindemetalle Fe, Co und/oder Ni noch bis zu 15 Massen% (bezogen auf die Binderphase) gelöste Dotierungsmittel enthält, die aus der Gruppe AI, Cr, Mo, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta stammen.The invention relates to a hard metal substrate body consisting of a WC hard material phase and a 3 to 25 mass% binder phase which, in addition to at least one of the binder metals Fe, Co and / or Ni, also comprises up to 15 mass% (based on the binder phase). contains dissolved dopants from the group AI, Cr, Mo, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren eines solchen Hartmetall-Substratkörpers, bei dem die Ausgangsmischung pulvermetallurgisch vorbehandelt, zu einem Grünling vorgepreßt und abschließend in einer Atmosphäre eines Ofens erwärmt und gesintert wird.The invention further relates to a method of such a hard metal substrate body, in which the starting mixture is pretreated by powder metallurgy, pressed into a green body and finally heated and sintered in an atmosphere of a furnace.
In den genannten Hartmetallzusammensetzungen wirken die Dotierungen, die zumeist in Form von Carbiden, Nitriden oder Carbonitriden der Elemente Ti, Zr, Hf, V, Ta oder Legierungen aus diesen Elementen, insbesondere Ti2AIN oder Ti2AIC in der Ausgangspulvermischung zugegeben werden, als Kornwachstumshemmer, die gewährleisten, dass die hergestellte WC-Co-Basislegierung feinkörnig und gleichmäßig bleibt, um eine optimale Härte und Verschleißfestigkeit gewährleisten zu können.In the hard metal compositions mentioned, the dopants, which are mostly added in the form of carbides, nitrides or carbonitrides of the elements Ti, Zr, Hf, V, Ta or alloys of these elements, in particular Ti 2 AIN or Ti 2 AIC, act as Grain growth inhibitors, which ensure that the WC-Co base alloy produced remains fine-grained and uniform in order to ensure optimum hardness and wear resistance.
Ebenso ist es seit langem bekannt, dass die Verschleißeigenschaften von Hartmetallkörpern durch Aufbringen einer oder mehrerer Oberflächenschichten aus Carbiden, Nitriden, Carbonitriden, Boriden und/oder Oxiden oder Diamant beeinflußt werden kann. Schon früh, nämlich in der DE-A 24 33 737 oder der DE-A-25 25 185 sind chemische oder physikalische Beschichtungsverfahren erwähnt worden.It has also long been known that the wear properties of hard metal bodies can be influenced by applying one or more surface layers made of carbides, nitrides, carbonitrides, borides and / or oxides or diamond. Chemical or physical coating processes were mentioned early on, namely in DE-A 24 33 737 or DE-A-25 25 185.
In der DE 27 17 842 A1 wird hierzu ausgeführt, dass es zur Einsparung des getrennten Arbeitsganges, der zu Schichtaufbringung mittels CVD oder PVD erfor-
derlich sei, sinnvoll wäre, den Hartmetallkörper nach dem Fertigsintern bei hohen Temperaturen einem Druck zwischen 2 bar (2 x 106 Pa) und 5000 bar (5 x 108 Pa) unter stickstoffhaltiger Atmosphäre auszusetzen. Die Behandlungstemperatur soll zwischen 800°C und einer oberen Grenze liegen, die mindestens 50°C unter der maximalen Sintertemperatur liegt. Mit dieser "Oberflächenaufstickung", die bis zu einer Tiefe von 300 μm wirksam sein soll, sollte ein verbessertes Verschleißverhalten sowie eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit und eine Erniedrigung der Diffusions- und Klebeneigung des Hartmetalles bei seiner Wechselwirkung mit dem Verschleißpartner gewährleistet werden. Für viele praktische Anwendungen ist jedoch nach wie vor nicht auf eine Oberflächenbeschichtung verzichtbar. Insbesondere bei Diamantbeschichtungen, aber auch Beschichtungen anderer Zusammensetzung stellt sich das Problem der schlechten Haftfestigkeit der Beschichtung auf dem Substratkörper. Ursache für eine mangelhafte Haftung ist beispielsweise ein zu hoher Bindergehalt an der Substratkörperoberfläche.DE 27 17 842 A1 states that in order to save the separate work step that is required for the application of layers by means of CVD or PVD It would make sense to expose the hard metal body to a pressure between 2 bar (2 x 10 6 Pa) and 5000 bar (5 x 10 8 Pa) under nitrogen-containing atmosphere after the final sintering at high temperatures. The treatment temperature should be between 800 ° C and an upper limit that is at least 50 ° C below the maximum sintering temperature. With this "surface embroidery", which should be effective to a depth of 300 μm, an improved wear behavior as well as an improved oxidation resistance and a lowering of the diffusion and sticking tendency of the hard metal during its interaction with the wear partner should be guaranteed. For many practical applications, however, a surface coating is still indispensable. The problem of poor adhesion of the coating on the substrate body arises in particular in the case of diamond coatings, but also coatings of a different composition. The cause of poor adhesion is, for example, too high a binder content on the substrate body surface.
In der DE 199 22 059 A1 wird ein Hartmetall- oder Cermet-Körper mit einer Hartstoffphase aus WC und/oder mindestens einem Carbid, Nitrid, Carbonitrid und/oder Oxicarbonitrid mindestens eines der Elemente IVa-, Va- oder Vla-Gruppe des Periodensystems und einer Bindemetallphase aus Fe, Co und/oder Ni, deren Anteil.3 bis 25 Massen% beträgt, vorgeschlagen, bei der aus der Körperoberfläche um 2 bis 20 μm WC-Kristallite herausragen. Dies soll dadurch erreicht werden, indem entweder eine stickstofffreie Mischung aus Hartstoffen und Bindemetallen zu einem Grünling vorgepreßt und in einer Vakuum- oder Inertgasatmosphäre auf eine zwischen 1200°C und der Sintertemperatur liegende Temperatur aufgeheizt wird, wonach spätestens beiDE 199 22 059 A1 describes a hard metal or cermet body with a hard material phase made of WC and / or at least one carbide, nitride, carbonitride and / or oxicarbonitride of at least one of the elements IVa, Va or Vla group of the periodic table and a binder metal phase made of Fe, Co and / or Ni, the proportion of which is 3 to 25% by mass, in which WC crystallites protrude from the body surface by 2 to 20 μm. This is to be achieved by either pressing a nitrogen-free mixture of hard materials and binding metals into a green body and heating it in a vacuum or inert gas atmosphere to a temperature between 1200 ° C and the sintering temperature, after which at the latest at
Erreichen der Sintertemperatur zumindest zeitweise eine Stickstoff- und ggf. kohlenstoffhaltige Atmosphäre mit einem Druck zwischen 103 und 107 Pa eingestellt wird, anschließend ggf. auf Sintertemperatur aufgeheizt und diese über eine Haltezeit von mindestens 20 min aufrechterhalten oder in dieser Zeit von mindestens 20 min nur eine geringe Abkühlung von maximal 2°C/min durchgeführt und anschließend abgekühlt wird. Beim Aufheizen oder spätestens ab Erreichen der Sintertemperatur bleibt
die eingestellte Stickstoffatmosphäre erhalten, bis in der Abkühlphase mindestens 1000°C erreicht wird.If the sintering temperature is reached, at least temporarily, a nitrogen and possibly carbon-containing atmosphere is set at a pressure between 10 3 and 10 7 Pa, then possibly heated up to the sintering temperature and maintained for a holding time of at least 20 min or in this time of at least 20 min only a slight cooling of maximum 2 ° C / min is carried out and then cooled. When heating up or at the latest when the sintering temperature is reached maintain the set nitrogen atmosphere until at least 1000 ° C is reached in the cooling phase.
Alternativ hierzu wird eine mindestens 0,2 Massen% Stickstoff enthaltende Mischung aus Hartstoffen und Bindermetallen vorgepreßt und der hierdurch hergestellte Grünling auf Sintertemperatur erwärmt, wobei die während des Aufheizens eingestellte Inertgas- oder Vakuumatmosphäre ab Erreichen einer Temperatur zwischen 1200°C und der Sintertemperatur zumindest zeitweise durch Einlaß von Stickstoff enthaltenden Gasen unter einem Druck von 103 bis 107 Pa gegen diese Gasdruckatmosphäre ausgetauscht wird. Die Sinterhaltezeit beträgt mindestens 30 min; bei Aufheizen ab 1200°C oder später soll der Stickstoff-Druck aufrechterhalten bleiben, bis in der Ofenatmosphäre bei der Abkühlung mindestens 1000°C erreicht sind.Alternatively, a mixture of hard materials and binder metals containing at least 0.2% by mass of nitrogen is pre-pressed and the green compact thus produced is heated to the sintering temperature, the inert gas or vacuum atmosphere set during the heating up, at least temporarily, from reaching a temperature between 1200 ° C. and the sintering temperature is exchanged for this gas pressure atmosphere by admission of nitrogen-containing gases under a pressure of 10 3 to 10 7 Pa. The sintering time is at least 30 min; when heating from 1200 ° C or later, the nitrogen pressure should be maintained until at least 1000 ° C is reached in the furnace atmosphere when cooling.
Das vorstehende Verfahren setzt jedoch eine Hartstoffzusammensetzung voraus, bei der in erheblichem Maße neben WC und dem Binder noch erhebliche Mengen weiterer Carbide, Nitride oder Carbonitride anwesend sein müssen.However, the above method requires a hard material composition in which, in addition to the toilet and the binder, considerable amounts of further carbides, nitrides or carbonitrides must also be present.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten, im wesentlichen zweiphasigen Hartmetallkörper der eingangs genannten Art und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, der gegenüber den nach dem Stand der Technik bekannten Substratkörpern eine bessere Haftung für Oberflächenbeschichtungen, die aus der Gasphase abgeschieden werden, liefert. Solche Schichten können z.B. aus Diamant, amorphem Kohlenstoff, kubischem Bomitrid, Kohlenstoffnitriden, Oxiden sowie metallischen Hartstoffen aus Carbiden, Nitriden, Carbonitriden und Oxi- carbonitriden, insbesondere der Elemente der IVa- bis Vla-Gruppe des Periodensystems bestehen.It is an object of the present invention to provide an improved, essentially two-phase hard metal body of the type mentioned at the outset and a method for its production which, compared to the substrate bodies known according to the prior art, provides better adhesion for surface coatings which are deposited from the gas phase , Such layers can e.g. consist of diamond, amorphous carbon, cubic bomitride, carbon nitrides, oxides and metallic hard materials made of carbides, nitrides, carbonitrides and oxicarbonitrides, in particular the elements of the IVa to Vla group of the periodic table.
Diese Aufgabe wird durch den Hartmetall-Substratkörper nach Anspruch 1 gelöst, bei dem erfindungsgemäß die Summe der Bindemetalle zum Substratkörper hin in einer tiefe von 0 bis 1 μm auf weniger als die Hälfte der Konzentration der Bindemetalle im Substratkörperinneren abfällt. Der prozentuale Anteil an Dotierungsmitteln im Hartmetall, das aus WC und einer Binderphase besteht, ist erfindungsgemäß auf
4 Massen% begrenzt. Ebenso limitiert ist der prozentuale Anteil einer etwaigen dritten kubischen Phase auf maximal 4 Vol%.This object is achieved by the hard metal substrate body according to claim 1, in which, according to the invention, the sum of the binding metals towards the substrate body drops in a depth of 0 to 1 μm to less than half the concentration of the binding metals in the interior of the substrate body. The percentage of dopants in the hard metal, which consists of WC and a binder phase, is according to the invention 4 mass% limited. The percentage of any third cubic phase is also limited to a maximum of 4 vol%.
Im Unterschied zu den nach dem Stand der Technik geschaffenen Hartmetallkörpern wird nicht nur eine bloße Binder-Verarmung in den oberflächennahen Randzonen angestrebt, sondern eine Randzone, bei der die durch Binderverarmung geschaffenen "Freiräume" durch Dotierungsmittel "aufgefüllt" werden. Die Menge der Dotierungsmittel soll jedoch auf 15 Massen%, bezogen auf die Bindemetallphase, beschränkt werden, die ihrerseits 3 Massen% bis 25 Massen% der Gesamtmenge ausmachen kann. Der Rest, nämlich 75 bis 97 Massen%, besteht aus der reinen WC-Hartstoffphase. Vorzugsweise nimmt die Konzentration der Binderphase in dem genannten oberflächennahen Bereich graduell ab, wohingegen die Konzentration der Dotierungsmittel, des Kohlenstoffs und des Stickstoffs graduell zunehmen.In contrast to the hard metal bodies created according to the prior art, the aim is not only mere binder depletion in the edge zones near the surface, but rather an edge zone in which the "free spaces" created by binder depletion are "filled" by doping agents. However, the amount of dopants should be limited to 15% by mass, based on the binder metal phase, which in turn can make up 3% by mass to 25% by mass of the total amount. The rest, namely 75 to 97 mass%, consists of the pure toilet hard phase. The concentration of the binder phase in the region close to the surface preferably decreases gradually, whereas the concentration of the dopants, the carbon and the nitrogen gradually increase.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Korngröße des WC im Hartmetall-Substratkörper maximal 1 ,5 μm.According to a further embodiment of the invention, the grain size of the toilet in the hard metal substrate body is a maximum of 1.5 μm.
Insbesondere eignet sich der vorstehend beschriebene Hartmetall-Substratkörper für Schichten aus Diamant, aber auch aus Carbiden, Nitriden und/oder Carbonitriden des Titans, Zirkoniums und/oder Hafniums oder aus Al203, HfO2, ZrO2, Mischungen aus Oxiden, amorphem Kohlenstoff, aus kubischem Bornitrid oder Kohlenstoffnitriden.The hard metal substrate body described above is particularly suitable for layers of diamond, but also of carbides, nitrides and / or carbonitrides of titanium, zirconium and / or hafnium or of Al 2 0 3 , HfO 2 , ZrO 2 , mixtures of oxides, amorphous Carbon, from cubic boron nitride or carbon nitrides.
Vorzugsweise sind in der oberflächennahen Randzone Nitride des metallischen Dotierungsmittels, z.B. TiN, CrN oder VN, angereichert.Preferably, nitrides of the metallic dopant, e.g. TiN, CrN or VN, enriched.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Hartmetall-Substratkörpers wird das Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7 verwendet.The method according to claim 6 or claim 7 is used to produce the hard metal substrate body according to the invention.
In der ersten Ausführungsalternative wird die Ausgangspulvermischung der gewünschten Hartmetallzusammensetzung pulvermetallurgisch in nach dem Stand der Technik bekannter Weise vorbehandelt, zu einem Grünling vorgepreßt und bis
zur Sintertemperatur erwärmt, wobei in der Aufheizphase nach Erreichen des Eutek- tikums, aber spätestens nach Erreichen der Sintertemperatur die Vakuum- oder Inertgasatmosphäre durch eine N2-Atmosphäre mit einem N2-Druck < 105 Pa ersetzt und zumindest bis zum Erreichen der Sintertemperatur oder bis zum Ende der Haltezeit, in der der Körper auf Sintertemperatur gehalten wird, aufrechterhalten wird.In the first alternative embodiment, the starting powder mixture of the desired hard metal composition is powder-metallurgically pretreated in a manner known in the prior art, pre-pressed into a green compact and until heated to the sintering temperature, with the vacuum or inert gas atmosphere being replaced by an N 2 atmosphere with an N 2 pressure of <10 5 Pa in the heating phase after reaching the eutectic, but at the latest after reaching the sintering temperature, and at least until the sintering temperature is reached or is maintained until the end of the holding time in which the body is kept at the sintering temperature.
Alternativ hierzu ist es auch möglich, die Stickstoff-Behandlung nach dem Fertigsintern vorzunehmen, und zwar indem der fertiggesinterte Körper unterhalb der eutekti- schen Temperatur einer N2-Atmosphäre unter einem Druck p von 105 Pa < p < 107 Pa über mindestens 10 min ausgesetzt wird. Diese Behandlung kann entweder in der Abkühlphase nach dem Sintern oder in einem zweiten Arbeitsschritt, ggf. auch im Anschluß an eine Schleif- und/oder Strahlbehandlung des fertiggesinterten Körpers angeschlossen werden.As an alternative to this, it is also possible to carry out the nitrogen treatment after the final sintering, specifically by the finished sintered body below the eutectic temperature of an N 2 atmosphere under a pressure p of 10 5 Pa <p <10 7 Pa for at least 10 min is exposed. This treatment can be carried out either in the cooling phase after sintering or in a second step, possibly also after grinding and / or blasting treatment of the finished sintered body.
Die Stickstoffatmosphäre kann entweder durch Einleitung von Stickstoffgas in die Ofenatmosphäre oder auch durch Einleitung von Präkursoren, d.h. N-haltigen Gasen, eingestellt werden, aus denen sich Stickstoff bei der entsprechenden Temperatur in der Gasatmosphäre in situ bildet.The nitrogen atmosphere can be either by introducing nitrogen gas into the furnace atmosphere or by introducing precursors, i.e. N-containing gases, from which nitrogen is formed in situ at the corresponding temperature in the gas atmosphere.
Es ist allgemein bekannt, dass mit der Zeitspanne und mit der Gaszusammensetzung, bei der sich der Sinterkörper oberhalb eutektischer Temperaturen befindet, die Größe der WC-Kristallite beeinflußt werden kann. Längere Behandlungszeiten führen zu größeren WC-Kristalliten.It is generally known that the size of the WC crystallites can be influenced with the time period and with the gas composition at which the sintered body is above eutectic temperatures. Longer treatment times lead to larger WC crystallites.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante wird der Körper auf 1250°C erwärmt und diese Temperatur über eine Zeitdauer von mindestens 20 min gehalten, bevor mit der Aufheizung auf die Sintertemperatur fortgefahren wird. Weiterhin vorzugsweise wird der Körper in der Aufwärmphase zunächst im Vakuum und erst ab ca. 1250°C in einer Inertgasatmosphäre, z.B. aus Argon, bis zur Sintertemperatur erwärmt, bei deren Erreichen die Stickstoffatmosphäre mit eine Druck von mindestens 104 Pa eingestellt wird. Vorzugsweise liegen die Aufheiz- und Abkühlraten maximal bei 10°C/min, bevorzugt liegt die entsprechende Rate zwischen 2°C/min und 5°C/min.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind in der Ausgangsmischung zusätzlich bis zu 15 Massen%, bezogen auf die Binderphase, Carbide, Nitride, Car- bonitride der Elemente der Iva-, Va- und Vla-Gruppe des Periodensystems oder des AI oder Komplexcarbide, Komplexnitride und/oder Komplexcarbonitride der Form T-2AIC, Ti2AIN, Cr2AIN, Cr2AIC enthalten, vorzugsweise jedoch nur jeweils in einer Menge wie maximal in der Binderphase gelöst werden kann. Diese Löslichkeits- grenze ist jeweils durch Summe der gelösten Elemente bestimmt und kann sich für jedes Element durch Zugabe anderer lösbarer Elemente ändern.In a preferred embodiment variant, the body is heated to 1250 ° C. and this temperature is maintained for a period of at least 20 minutes before heating to the sintering temperature is continued. Furthermore, the body is preferably heated in the warm-up phase first in a vacuum and only from approx. 1250 ° C. in an inert gas atmosphere, for example made of argon, to the sintering temperature, when the nitrogen atmosphere is reached at a pressure of at least 10 4 Pa. The heating and cooling rates are preferably at most 10 ° C./min; the corresponding rate is preferably between 2 ° C./min and 5 ° C./min. According to a further embodiment of the invention, up to 15% by mass, based on the binder phase, of carbides, nitrides, carbonitrides of the elements of the Iva, Va and Vla groups of the periodic table or of the AI or complex carbides are additionally complex nitrides in the starting mixture and / or complex carbonitrides of the form T- 2 AIC, Ti 2 AIN, Cr 2 AIN, Cr 2 AIC, but preferably only in an amount which can be dissolved at most in the binder phase. This solubility limit is determined by the sum of the dissolved elements and can change for each element by adding other detachable elements.
Bei der vorbeschriebenen Behandlung der Sinterkörper in einer Stickstoffatmosphäre unter einem Druck von 102 Pa bis 107 Pa diffundieren die Dotierungsmittel bzw. deren Carbide, Nitride oder Carbonitride in Richtung der Substratoberfläche und verdrängen durch Anreicherung von entsprechenden Hartstoffpartikeln, die noch zusätzlich durch die Kombination des vorhandenen Stickstoffes und mindestens eines der Metalle verstärkt werden kann, die Bindephase in tiefere Regionen, die dadurch an der Oberfläche verarmt. Die Stickstoffbehandlung wirkt jedoch auch aufgrund der Tatsache, dass Stickstoff in der Binderphase gelöst wird, auf die Kohlen- stoffaktivität, die wiederum die Ausscheidung von Hartstoffphasen beeinflußt. Auch hierdurch kann eine Hartstoffphasenanreicherung in der Oberfläche gesteuert werden.In the above-described treatment of the sintered bodies in a nitrogen atmosphere under a pressure of 10 2 Pa to 10 7 Pa, the dopants or their carbides, nitrides or carbonitrides diffuse in the direction of the substrate surface and displace by enrichment with corresponding hard material particles, which are additionally caused by the combination of the existing nitrogen and at least one of the metals can be strengthened, the binding phase in deeper regions, which impoverishes on the surface. However, nitrogen treatment also affects carbon activity due to the fact that nitrogen is dissolved in the binder phase, which in turn influences the excretion of hard material phases. This can also be used to control hard phase enrichment in the surface.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.The invention is explained below using exemplary embodiments.
Es zeigenShow it
Fig. 1 ein Sinterprofil für die Behandlung einer Probe,1 shows a sintered profile for the treatment of a sample,
Fig. 2a, b jeweils ein halbquantitatives GDOS-Tiefenprofil der Probe A,2a, b each a semi-quantitative GDOS depth profile of sample A,
Fig. 3a, b jeweils ein halbquantitatives GDOS-Tiefenprofil der Probe C,3a, b each a semi-quantitative GDOS depth profile of sample C,
Fig. 4 weitere Sinterprofile und
Fig. 5a, b jeweils ein halbquantitatives GDOS-Tiefenprofil der Probe C, die gemäß einem Sinterprofil nach Fig. 4 unterzogen worden ist.Fig. 4 further sintered profiles and 5a, b each show a semi-quantitative GDOS depth profile of sample C which has been subjected to a sintered profile according to FIG. 4.
Fünf Legierungen gemäß der in der folgenden Tabelle aufgeführten Zusammensetzung wurden in üblicher weise gemahlen, gemischt und zu einem Grünling vorgepreßt sowie anschließend einer Sinterbehandlung unterzogen, deren Sinterprofil der Fig. 1 zu entnehmen ist.Five alloys according to the composition listed in the following table were ground, mixed and pressed into a green body in the usual way and then subjected to a sintering treatment, the sintering profile of which can be seen in FIG. 1.
Tabelle 1 ProbenzusammensetzungTable 1 Sample composition
Sinterkörper Zusammensetzung (Masse%)Sintered body composition (mass%)
A 92 % WC, 7,5 Co, 0,5 Ti2AICA 92% WC, 7.5 Co, 0.5 Ti 2 AIC
B 91 ,75 % WC, 0,75 % Cr3C2, 3,75 % Co, 3,75 % NiB 91, 75% WC, 0.75% Cr 3 C 2 , 3.75% Co, 3.75% Ni
C 91 ,75 % WC, 0,75 % Cr3C2, 4,5 % Co, 1 ,5 % Ni, 1 ,5 % FeC 91, 75% WC, 0.75% Cr 3 C 2 , 4.5% Co, 1, 5% Ni, 1, 5% Fe
D 91 ,75 % WC, 0,75 % Cr3C2, 7,5 % CoD 91, 75% WC, 0.75% Cr 3 C 2 , 7.5% Co
E 91 ,4 % WC, 0,75 % Cr3C2, 0,35 % Mo2C, 7,5 % CoE 91, 4% WC, 0.75% Cr 3 C 2 , 0.35% Mo 2 C, 7.5% Co
Die vorgenannte Legierung A ist mit einer Aufwärmgeschwindigkeit von 5°C/min zunächst auf 1250°C erwärmt worden. Diese Temperatur wurde etwa 30 min gehalten, wonach eine Argon-Gasatmosphäre mit einem Druck von 5 x 103 Pa eingestellt wurde. Gleichzeitig ist die Erwärmung des Sinterkörpers mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 5cC/min fortgesetzt worden, wobei bei Erreichen von 1480°C ein N2-Druck von 7 x 104 Pa eingestellt wurde, der auch nach Erreichen der Sintertemperatur von 1480°C aufrechterhalten blieb. Die Sinterdauer betrug ca. 1 Stunde, wonach der Ofen abgeschaltet worden ist.The aforementioned alloy A was first heated to 1250 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min. This temperature was maintained for about 30 minutes, after which an argon gas atmosphere was set at a pressure of 5 × 10 3 Pa. At the same time, the heating of the sintered body was continued at a heating rate of 5 c C / min, an N 2 pressure of 7 × 10 4 Pa being set when 1480 ° C. was reached, which pressure was maintained at 1480 ° C. even after the sintering temperature had been reached remained. The sintering time was approximately 1 hour, after which the furnace was switched off.
Bei dem Sinterkörper gemäß Probe A war festzustellen, dass durch die N2-Behandlung die oberflächennahen Regionen in einer Tiefe bis zu 1 μm derart beeinflußt wurden, dass dort die Binderphase, d.h. die Summe der Bindemetalle verarmte und eine deutliche Anreicherung der Hartstoff phase an der Oberfläche und in den oberflächennahen Bereichen erzeugt wurde (siehe Fig. 2a). Dies konnte sowohl
im metallographischen Querschliff als auch rein optisch durch eine Farbveränderung festgestellt werden. Fig. 2b zeigt das Verhältnis des Dotierungsmittels Ti zum Bindemetall Co. Man erkennt, dass das Dotierungselement im Verhältnis zum Bindemetall sich zur Oberfläche des Substratkörpers hin stark anreichert und an der Oberfläche eine sehr dünne Ti(C,N)-Schicht vorliegt.In the sintered body according to sample A, it was found that the N 2 treatment affected the regions close to the surface to a depth of up to 1 μm in such a way that the binder phase, ie the sum of the binder metals, became poor and a significant enrichment of the hard material phase on the Surface and in the areas near the surface was generated (see Fig. 2a). This could be both can be determined in the metallographic cross-section as well as purely optically by a color change. 2b shows the ratio of the dopant Ti to the binding metal Co. It can be seen that the doping element in relation to the binding metal accumulates strongly towards the surface of the substrate body and a very thin Ti (C, N) layer is present on the surface.
Als weiteres Beispiel für den erzielten Effekt der Modifikation der Randzone zeigt Fig. 3a ein halbquantitatives GDOS-Tiefenprofil. Man erkennt deutlich, dass die Summe der Bindemetalle (Fe, Co, Ni) an der äußeren Oberfläche abnimmt. Fig. 3b zeigt ein zur Oberfläche in geringeren Eindringtiefen (ca. 0,1 μm) deutlich ansteigendes Verhältnis Cr/(Co + Fe + Ni). Dies bedeutet, dass im Binder in der gradierten Randzone, welche durch Stickstoff beeinflußt ist, der Cr-Anteil in der Binderphase relativ zu den anderen Elementen der Binderphase gegenüber der nicht durch Stickstoff beeinflußten, inneren Bereiche der Legierung erhöht ist. Der Stickstoffgehalt nimmt in der Randzone stark, der Kohlenstoff- und Wolfram-Gehalt geringfügig zur Oberfläche hin zu.3a shows a semi-quantitative GDOS depth profile as a further example of the effect of the modification of the edge zone. It can clearly be seen that the sum of the binding metals (Fe, Co, Ni) on the outer surface decreases. 3b shows a ratio Cr / (Co + Fe + Ni) which increases significantly to the surface at lower penetration depths (approx. 0.1 μm). This means that in the binder in the graded edge zone, which is influenced by nitrogen, the Cr content in the binder phase is increased relative to the other elements of the binder phase compared to the inner regions of the alloy which are not influenced by nitrogen. The nitrogen content increases sharply in the peripheral zone, the carbon and tungsten content increases slightly towards the surface.
Proben des Typs A bis F gemäß Tabelle 1 wurden verschiedenen Glühungen und Sinterungen bei erhöhtem Stickstoffdruck gemäß Tabelle 2 unterzogen.
Samples of the types A to F according to Table 1 were subjected to various annealing and sintering processes under increased nitrogen pressure according to Table 2.
Tabelle 2Table 2
Sinterprofile für die Proben A bis F der Tabelle 1Sintered profiles for samples A to F of Table 1
Probe SinterprofilSample sintered profile
B Zyklus 7B cycle 7
C Zyklus 7C cycle 7
A Zyklus 7A cycle 7
C php_1C php_1
A php_1A php_1
D php_2D php_2
E php_2E php_2
C php_2C php_2
E php_2E php_2
B php_2B php_2
D php_2aD php_2a
F php_2aF php_2a
D php_2bD php_2b
F php_2b.F php_2b.
Die Sinterprofile sind in Tabelle 3 sowie Fig. 4 wiedergegeben.
The sintered profiles are shown in Table 3 and Fig. 4.
Tabelle 3Table 3
Tabellarische Beschreibung der SinterprofileTabular description of the sintered profiles
Zyklus 8Cycle 8
Zyklus 7Cycle 7
php_1php_1
Php_2Php_2
php_2aphp_2a
php_2bphp_2b
Ein halbquantitatives GDOS-Tiefenprofil der Probe C ist in Fig. 5 dargestellt, welches die Abnahme der Summe der Bindemetalle in oberflächennahen Bereichen zeigt. Die Summe der Bindemetalle zeigt wieder die gleiche Charakteristik wie im Falle der gleichen vakuumgesinterten Sorte. Auch der N- und der C-Anteil ist wie im Falle der unter vermindertem Druck gesinterten Legierung C zur Oberfläche hin erhöht. Fig. 5b zeigt einen deutlichen Anstieg der Cr/(Co + Ni + Fe)-Konzentrationsverhältnisses zu randnahen Zonen. A semi-quantitative GDOS depth profile of sample C is shown in FIG. 5, which shows the decrease in the sum of the binding metals in areas near the surface. The sum of the binding metals again shows the same characteristics as in the case of the same vacuum sintered grade. As in the case of alloy C sintered under reduced pressure, the N and the C content are also increased towards the surface. 5b shows a clear increase in the Cr / (Co + Ni + Fe) concentration ratio to zones near the edge.
Durch die Wahl der Dotierungselemente bzw. deren Verbindungen und auch durch Wahl des Stickstoffdruckes kann die Randzone des fertigen Hartmetall-Sinterkörpers so eingestellt werden, dass nicht nur eine Anreicherung an Dotierungsmitteln, sondern sogar die Bildung einer Diffusionsschicht aus Nitriden gefördert wird. Wird beispielsweise Cr oder eine Cr-Verbindung als Dotierung eingesetzt, so entsteht bei einer Vakuumsinterung mit späterer N2-Gasphaseneinstellung unter kleinen Drücken (< 105 Pa) keine Chromnitrid-Schicht oder -Anreicherung, weil sich Chromnitride bei geringen Stickstoff drücken nicht bilden. Hingegen kann mittels einer Dotierung einer V- oder Ti-haltigen Phase die Bildung von TiN oder VN oder von Ti(C,N) oder V(C,N) unter denselben Bedingungen hervorgerufen werden, weil Vanadiumnitride bzw. -carbonitride bereits bei geringen Stickstoffdrücken ausgebildet werden.
By choosing the doping elements or their connections and also by choosing the nitrogen pressure, the edge zone of the finished hard metal sintered body can be adjusted in such a way that not only an enrichment of doping agents but also the formation of a diffusion layer from nitrides is promoted. If, for example, Cr or a Cr compound is used as doping, a vacuum sintering with subsequent N 2 gas phase adjustment at low pressures (<105 Pa) does not result in a chromium nitride layer or enrichment because chromium nitrides do not form at low nitrogen pressures. On the other hand, by doping a V- or Ti-containing phase, the formation of TiN or VN or of Ti (C, N) or V (C, N) can be caused under the same conditions, because vanadium nitrides or carbonitrides already at low nitrogen pressures be formed.